第1章緒論教學要求、重點與難點1.1本課程研究的對象和內(nèi)容1.2機械設計的基本要求和一般程序1.3機械零件的常用材料及選擇1.4機械零件的計算準則及一般設計步驟1.5機械零件的結構工藝性及標準化小結作業(yè)教學要求、重點與難點一、教學要求了解本課程的性質(zhì)、目的、任務；了解本課程的主要學習內(nèi)容、學習要求、學習方法。

二、教學重點與難點重點：本課程的性質(zhì)、目的、任務。

難點：機器、機構、構件、零件的概念。

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1.1本課程研究的對象和內(nèi)容一、研究對象：機械1、機器

機器是根據(jù)某種使用要求而設計的機械系統(tǒng)，可以完成有益的機械功(如改變工作物的外形及空間位置等)或轉(zhuǎn)化機械能。例：內(nèi)燃機圖1-1。內(nèi)燃機的三維動畫顯示。

機器的特征：

1）都是許多人為實物的組合；

2）各實物之間具有確定的相對運動。

3）能完成有用的機械功或轉(zhuǎn)換機械能。

機器：一種用來轉(zhuǎn)換或傳遞能量、物料和信息的、能執(zhí)行機械運動的裝置。機器的組成：動力部分、執(zhí)行部分、傳動部分、控制系統(tǒng)等。例：汽車

洗衣機2、機構

機構：能實現(xiàn)預期的機械運動的各實物的組合體。即：1）人為實物的組合體；

2)各實物間有確定的相對運動。常用機構：連桿機構

凸輪機構

齒輪機構3、構件、零件構件是運動的單元，是由一個或幾個零件組裝而成的。圖1-3

零件是制造的基本單元。零件又分：

通用零件標準件專用零件非標準件

二、研究的內(nèi)容和性質(zhì)1、內(nèi)容常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、設計理論與方法。2、性質(zhì)本課程是一門技術基礎課。3、課程的任務

1）樹立正確的設計思想。2）掌握常用機構和通用機械零部件的設計原理、方法和一般規(guī)律。3）掌握一定的設計技能（查閱資料，運用標準、規(guī)范)。4）了解機械設計的最新動態(tài)。返回章目錄1.2

機械設計的基本要求和一般程序一、基本要求：物美：功能性要求價廉：經(jīng)濟性要求二、機械設計的一般過程

市場調(diào)研可行性研究原理方案設計技術設計試制試驗小批生產(chǎn)試銷投產(chǎn)設計任務書定出最佳方案裝配圖、零件圖、技術文件樣機評價改進考核工藝性，收集用戶意見產(chǎn)品銷售返回章目錄1.3機械零件的常用材料及選擇一、機械零件的常用材料

1、鋼和鑄鐵（黑色金屬）

鑄鋼——鑄造性比鑄鐵差，但比鍛鋼和軋制鋼好。強度性比鑄鐵好，但比鍛鋼和軋制鋼差。碳鋼與合金鋼——應用最廣泛。2、有色金屬a)鋁合金——重量輕、導熱導電性較好、塑性好、抗氧化性好，高強度鋁合金強度可與碳素鋼相近。b)銅合金——黃銅：Cu與Zn合金；青銅：Cu與Sn的合金；無錫青銅：Cu與鋁、硅、錳、鎳的合金。鑄鐵——灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵。

3、非金屬材料塑料——輕、易加工成形、減摩性好，強度低，可作為普通機械零件、絕緣體。陶瓷——電熱性好，硬度高橡膠——彈性、絕緣性好，常用作彈性元件和密封元件、減震元件。4、復合材料二、機械零件材料選用的原則

1、零件的工作情況；2、結構和加工工藝性；3、材料的經(jīng)濟性；4、材料供應情況。返回章目錄1.4機械零件的計算準則及一般設計步驟一、機械零件的失效形式

失效——零件喪失正常工作能力或達不到設計要求的性能。失效形式：強度失效、剛度失效、磨損失效、振動、噪聲失效、精度失效、可靠性失效。二、機械零件的計算準則

計算準則——以防止產(chǎn)生各種可能失效為目的，而擬定的零件工作能力計算依據(jù)的基本原則。1、強度準則

2、剛度準則

零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。

零件在載荷作用下抵抗破壞的能力。

y——可以是撓度、偏轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)角。

3、壽命準則

有腐蝕、磨損和疲勞壽命。

4、振動穩(wěn)定性準則

壽命：正常工作的時間。三、機械零件設計的一般步驟1）根據(jù)零件的使用要求（如功率、轉(zhuǎn)速等），選擇零件的類型和結構形式。2）根據(jù)機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。3）根據(jù)零件的工作條件，選擇合適的材料及熱處理方法。4）分析零件的主要失效形式，選擇相應的計算準則，計算零件的基本尺寸。5）按結構工藝性及標準化要求，進行零件的結構設計。6）必要時進行詳細的校核計算。7）繪制零件工作圖，并寫出計算說明書。返回章目錄1.5機械零件的結構工藝性及標準化一、機械零件的結構工藝性

的基本要求1．選擇合理的毛坯；

2．結構簡單、便于加工；3．便于裝拆和維修。二、機械零件設計中的標準化

標準化:指對零件的類型、規(guī)格、性能指標、檢驗方法、設計方法、制圖要求等制定的標準并加以實施。標準化含義：標準化、尺寸規(guī)格的系列化和通用化。標準按層次分為：國家標準（GB）、行業(yè)標準（JB、YB）和企業(yè)（公司）標準（QB）；按使用的強制性程度分為：必須執(zhí)行的（GB）和推薦使用的（GB/T）。返回章目錄本章小結1.本課程研究的對象是：機械。2.機械零件材料選用的原則：安全、合理、經(jīng)濟。3.機械零件的設計計算準則

：強度準則；剛度準則；壽命準則；穩(wěn)定性準則。4.機械零件設計的一般步驟：根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型；計算作用在零件上的載荷；選擇合適的材料及熱處理方法；分析零件的主要失效形式，計算零件的基本尺寸；按結構工藝性要求，進行零件的結構設計；繪制零件工作圖。返回章目錄作業(yè)1-2構件和零件的區(qū)別是什么？1-4機械零件的主要計算準則有哪些？返回章目錄P9內(nèi)燃機汽車洗衣機連桿機構空間運動副低副齒輪機構連桿平面凸輪機構空間機構壓力機四桿機構飛機焊接機器人主要研究：焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計。

弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術，視覺跟蹤與機器人協(xié)調(diào)控制。

焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真。第2章平面機構運動簡圖及其自由度教學要求、重點與難點2.1運動副及其分類2.2平面機構運動簡圖2.3平面機構的自由度小結作業(yè)教學要求、重點與難點一、教學要求

了解平面運動副，了解平面機構簡圖繪制方法；

掌握平面運動鏈的自由度計算；掌握機構具有確定運動的條件。

二、教學重點與難點重點：平面機構的自由度；平面機構具有確定運動的條件。

難點：平面機構的運動簡圖；平面機構的自由度計算。

返回章目錄第2章平面機構運動簡圖及其自由度

2.1運動副及其分類一、自由度、運動副、約束構件的自由度：構件具有的獨立運動的數(shù)目。作平面運動的自由構件具有三個自由度。

◆

運動副定義:

兩個構件直接接觸形成的可動聯(lián)接稱為運動副。

圖1-1運動低副◆

約束：對構件獨立運動所加的限制稱為約束。

◆

運動副元素:兩構件上參加接觸而構成運動副的點、線、面部分稱為運動副元素。二、

運動副分類按接觸形式分：（1）低副：面接觸的運動副。

圖2-1運動低副（2）高副：點或線接觸的運動副。

圖2-2運動高副

按相對運動形式分：

（1）平面運動副

(a)低副：轉(zhuǎn)動副圖2-3轉(zhuǎn)動副

移動副圖2-4移動副

(b)高副圖2-2運動高副（2）空間運動副：圓柱副、球面副、螺旋副等。

圖2-5空間運動副返回章目錄2.2平面機構運動簡圖一、構件的分類機構：具有確定相對運動的構件的組合體。機架：固定不動的構件。原動件：按給定的運動規(guī)律獨立運動的構件。從動件：其余的活動構件。例如平面四桿機構的各類構件，圖2-6四桿機構

平面機構圖2-7平面機構

空間機構圖2-8空間機構

二、繪制機構運動簡圖的方法和步驟機構運動簡圖：用簡單的線條和規(guī)定的符號來代表構件和運動副，并按一定比例表示各運動副的相對位置。這種能夠表示構件間相對運動關系的簡單圖形稱為機構運動簡圖。運動副表示：圖2-9運動副表示方法構件的表示：圖2-10構件表示方法常見機構表示：表2-1常用機構的簡圖符號

機構運動簡圖繪制1.分析機械的結構和動作原理，確定構件的數(shù)目。2.分析構件間的相對運動，確定運動副的數(shù)目和類型。3.選定視圖投影面及比例尺μL=實際尺寸/圖上尺寸(m/mm)，順序確定轉(zhuǎn)動副和移動副導路的位置，根據(jù)原動件的位置及各桿長等繪出各構件，得到機構運動簡圖。例2-1：試繪制內(nèi)燃機的機構運動簡圖氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10解：1）分析運動，確定構件的類型和數(shù)量2）確定運動副的類型和數(shù)目3）選擇視圖平面4）選取比例尺，根據(jù)機構運動尺寸，定出各運動副間的相對位置5）畫出各運動副和機構符號，并表示出各構件返回章目錄2.3平面機構的自由度一、機構的自由度計算公式

機構的自由度：機構中各構件相對與機架所具有的獨立運動的數(shù)目。機構自由度計算公式:

F=3n-2PL-PH

式中：n-運動構件數(shù)

PL-低副數(shù)

PH-高副數(shù)二、機構具有確定運動的條件：實例分析1、對于四桿機構，圖2-11如果只有一個原動件1，機構具有確定的運動。如果有兩個原動件2，構件破壞。

2、對于五桿機構，圖2-12

如果只有一個原動件1，機構運動不確定。如果有兩個原動件2，機構具有確定的運動。3、對于三桿構件，圖2-13，沒有相對運動。根據(jù)上述實例分析，可以得出：（1）F≤0時，機構蛻化成剛性桁架，構件間不可能產(chǎn)生相對運動。圖2-13（2）F>0時，原動件數(shù)大于機構自由度，機構遭到破壞；原動件數(shù)小于機構自由度，機構運動不確定，只有當原動件數(shù)等于機構自由度時機構才具有確定的運動。機構具有確定運動的條件：機構的自由度F>0，且原動件數(shù)等于機構的自由度。

例2-2：試判斷下圖構件組成的系統(tǒng)，是不是機構。經(jīng)分析，該系統(tǒng)的自由度F=0，所以是不是機構。三、計算平面機構的自由度時應注意的事項復合鉸鏈:兩個以上的構件同時在一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接,就構成了復合鉸鏈。若m個構件以復合鉸鏈相聯(lián)接時,其構成的轉(zhuǎn)動副數(shù)應等于(m-1)個。

圖2-14復合鉸鏈例2-3：搖篩機構的自由度計算。

圖2-15搖篩機構

2.局部自由度:某些構件所產(chǎn)生的局部運動并不影響其他構件的運動,這種局部運動的自由度稱為局部自由度。在計算機構自由度時,應將機構中的局部自由度除去不計。

圖2-16局部自由度

3.虛約束:對機構運動實際上不起約束作用的約束稱為虛約束。（1）兩構件間組成多個運動副轉(zhuǎn)動副：圖2-17兩構件形成多個轉(zhuǎn)動副移動副：圖2-18兩構件形成多個移動副（2）兩點之間的距離始終保持不變

圖2-19兩點距離不變

（3）兩構件上的聯(lián)接點的軌跡是互相重合

圖2-20軌跡重合（4）對機構運動不起作用的對稱部分

圖2-21機構中的對稱部分四、計算平面機構的自由度舉例例2-4計算圖2-21(a)示的篩料機構的自由度。圖2-21篩料機構解：（1）檢查機構中有無上述三種注意情況由圖中可知，機構中滾子自轉(zhuǎn)為局部自由度；頂桿DF與機架組成兩導路重合的移動副E'、E，故其中之一為虛約束；C處為復合鉸鏈。去除局部自由度和虛約束以后，應按圖b計算自由度。（2）計算機構自由度機構中的可動構件數(shù)為n=7,PL=9，PH=1，故該機構的自由度為F=3n－2PL－PH=3×7－2×9－1×1=2返回章目錄本章小結1．機構是具有確定運動的構件的組合體；2．運動副是兩構件之間的可動聯(lián)接；

3．運動副分為：平面運動副：低副：轉(zhuǎn)動副移動副高副空間運動副4．機構的獨立運動稱為機構的自由度，計算公式為F=3n－2PL－PH5．計算自由度應注意的三個問題：（1）復合鉸鏈；（2）局部自由度；（3）虛約束。6．機構具有確定運動的條件是：自由度數(shù)等于主動構件數(shù)。

返回章目錄作業(yè)2-12-7(b)、（f）返回章目錄內(nèi)燃機汽車洗衣機連桿機構空間運動副低副齒輪機構連桿平面凸輪機構空間機構壓力機四桿機構一個原動件的四桿機構二個原動件的四桿機構五桿機構一個原動件五桿二個原動件剛性桁架搖篩機構凸輪機構油泵復合鉸鏈多個運動副兩點距離不變對稱部分軌跡重合判斷機構1計算機構自由度計算機構的自由度兩構件形成多個轉(zhuǎn)動副兩構件形成多個移動副高副計算自由度計算自由度計算機構的自由度五桿機構運動副表示法

構件表示法轉(zhuǎn)動副移動副

第3章平面連桿機構教學要求、重點與難點概述3.1鉸鏈四桿機構的基本類型及運動特性3.2鉸鏈四桿機構的演化3.3平面連桿機構的運動設計小結作業(yè)教學要求、重點與難點一、教學要求了解平面連桿機構的組成及其主要優(yōu)缺點。了解平面鉸鏈四桿機構、演化和應用；對曲柄存在條件、急回運動、行程速比系數(shù)、傳動角、壓力角、止點等有明確的概念。掌握按給定行程速比系數(shù)設計四桿機構和按給定連桿位置設計四桿機構的方法。

二、教學重點與難點重點：鉸鏈四桿機構的特性、演化及曲柄存在的條件；平面四桿機構的運動設計。

難點：鉸鏈四桿機構的演化；平面四桿機構的運動設計。返回章目錄概述連桿機構：由若干個剛性構件用低副聯(lián)接所組成。

平面連桿機構：各運動構件均在同一平面或平行的平面內(nèi)運動。

空間連桿機構：運動構件不都在相互平行的平面內(nèi)運動。平面四桿機構：結構最簡單的且應用最廣泛的是：由4個構件所組成的平面連桿機構。返回章目錄3.1

鉸鏈四桿機構的基本類型及運動特性鉸鏈四桿機構：四個運動副都是轉(zhuǎn)動副的四桿機構。各個構件名稱：

圖3-1鉸鏈四桿機構。

鉸鏈四桿機構的運動效果。

機架——固定不動的構件。

連架桿——直接與機架相連的構件。

曲柄：能整周回轉(zhuǎn)；

搖桿：不能整周回轉(zhuǎn)。

曲柄回轉(zhuǎn)副擺轉(zhuǎn)副

連桿——不直接與機架相連的構件。一、鉸鏈四桿機構的基本類型：

1、曲柄搖桿機構：兩個連架桿一為曲柄，一為搖桿。

圖3-2曲柄搖桿結構

圖3-3縫紉機踏板機構

攪拌機構

2、雙曲柄機構：兩個連架桿都是曲柄。

圖3-4雙曲柄機構

圖3-5插床機構

慣性篩機構

正平行四邊形機構圖3-6a正平行四邊形機構

其應用：車輛聯(lián)動機構反平行四邊形機構圖3-6b反平行四邊形機構

其應用：車門機構3、雙搖桿機構：兩個連架桿都是搖桿。

圖3-7雙搖桿機構

其應用：圖3-8鶴式起重機

圖3-9飛機的起落架

鑄造的翻箱機構

二、四桿機構的運動特性1、鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件

A為回轉(zhuǎn)副：設a<d△B1C1D：a+d≤b+c△B2C2D：b-c≤d-a

c-b≤d-a則：a+b≤c+d

a+c≤b+d

得：a為最短構件。同理，當a>d時，得d為最短構件。

曲柄存在的條件：（1）曲柄為最短構件；（2）最短桿與最長桿之和小于或等于其他兩桿之和?！獥U長之和條件。

最短桿的兩端都是回轉(zhuǎn)副。機構演化：取不同構件為機架（）

圖3-10取不同構件為機架的四桿機構演化。（1）最短桿為機架----雙曲柄機構；（2）最短桿的鄰邊為機架----曲柄搖桿機構；（3）最短桿對邊為機架----雙搖桿機構。2、急回運動特性和行程速比系數(shù)（1）曲柄搖桿機構

極位夾角θ：搖桿位于兩極限位置時曲柄兩位置所夾的銳角。

急回特性:從動搖桿往復擺動的平均角速度不等，空回行程的平均速度大于正行程的平均速度。機構急回特性的運動效果。

行程速比系數(shù)：圖3-11曲柄搖桿機構（2）曲柄滑塊機構

偏置的曲柄滑塊機構：

圖3-12偏置曲柄搖桿機構

其急回特性圖。對心的曲柄滑塊機構：

圖3-13對心曲柄搖桿機構

無急回特性。（3）擺動導桿機構：

圖3-14擺動導桿機構三、壓力角和傳動角

圖3-15鉸鏈四桿機構的壓力角。壓力角a：從動件所受的力與力作用點的速度方向之間所夾的銳角。傳動角g：壓力角的余角。

a愈小，g愈大，對傳動愈有利。

設計時限制最小傳動角：

（一般）（高速、重載）

最小傳動角γmin的位置：（1）曲柄搖桿機構：曲柄與機架共線。

圖3-16最小傳動角的計算圖。1）當主動件與機架重疊共線時(φ=0°)2）當主動件與機架拉直共線時：(φ=180°)在上述兩個傳動角中取小值。（2）曲柄滑塊機構：在曲柄與導路垂直的位置。

圖3-17曲柄滑塊機構的壓力角。

不同位置時曲柄滑塊機構的壓力角的動態(tài)變化。

（3）導桿機構

圖3-18導桿機構的壓力角。

四、止點（死點）位置

止點：機構的傳動角為零的位置。

1.曲柄搖桿機構：搖桿為主動件，曲柄與連桿共線的位置。其止點圖。

2.曲柄滑塊機構:滑塊為主動件。其止點圖。

3.擺動導桿機構：導桿為主動件。其止點圖。

克服止點：①靠慣性。如圖3-18縫紉機機構。

②附加桿組，使得止點位置錯開。如圖3-19機車車輪聯(lián)動機構。

利用止點:

①夾緊機構。如圖3-20快速夾具機構。

②飛機起落架如圖3-21飛機起落架機構。

返回章目錄3.2鉸鏈四桿機構的演化一、改變構件的形狀及相對尺寸的演化曲柄搖桿曲柄滑塊

圖3－22鉸鏈四桿機構的演化。二、擴大轉(zhuǎn)動副尺寸的演化如圖3－23所示的偏心輪機構，在擴大轉(zhuǎn)動副尺寸后，如圖3－24所示。三、取不同的構件為機架1、鉸鏈四桿取不同的構件為機架，效果如圖3－25所示。2、曲柄滑塊機構對心的曲柄滑塊機構

取不同的構件為機架，效果如圖3－26所示。偏置的曲柄滑塊機構如圖所示，3、導桿機構取不同構件為機架，可以獲得如下機構：擺動導桿機構，如圖所示。轉(zhuǎn)動導桿機構，如圖所示。曲柄搖塊機構，如圖所示。移動導桿機構，如圖所示。其應用：手壓抽水機機構。返回章目錄3.3平面連桿機構的運動設計●平面連桿機構運動綜合的基本問題：

1、位置設計:按給定從動件的位置或運動規(guī)律設計

2、軌跡設計：按給定點的軌跡設計●設計方法：

圖解法、實驗法和解析法。一、用圖解法設計四桿機構1、按行程速比系數(shù)設計機構（1）曲柄搖桿機構已知：

，求機構其它構件尺寸。解題步驟：1）根據(jù)確定極位夾角。

2）取作圖

ADC1C2AB=(AC1-AC2)/2BC=AC1-ABAC2=BC-ABB1AC1=AB+BCMθB2（2）曲柄滑塊機構已知：

，求機構其它構件尺寸解題步驟：取作圖HOeAc1c2BAB=(AC1-A